پروژه اتوماسیون سیستم های توزیع

مقدمه:

با گذشت بیش از یک قرن از طراحی و راه‌اندازی اولین شبکه انرژی الکتریکی با یک نیروگاه متمرکز و بار توزیع‌شده در سال 1882 توسط توماس ادیسون، که تعداد 59 مشترک را با ولتاژ 110 ولت مستقیم تغذیه می‌کرد و مقایسه آن با وضعیت کنونی شبکه‌های عظیم تأمین انرژی الکتریکی می‌توان علاوه بر مشاهده‌ی پیشرفت سریع این صنعت به افزایش باور نکردنی تقاضای مصرف‌کنندگان برای این انرژی پی برد. با افزایش این نیاز شبکه‌های برق نیز دچار تغییر و گستردگی و پیچیدگی شدند و این گستردگی تا به حدی افزایش پیدا کرد که هم‌اکنون شبکه‌های برق‌رسانی، در سطح تولید، انتقال و توزیع به عنوان عظیم‌ترین ساخته دست بشر محسوب می‌شوند. مهم‌ترین ویژگی‌ این شبکه، به هم‌پیوستگی آن است، به طوری که ناپایداری در نقطه‌ای کوچک از شبکه قادر خواهد بود تمام نقاط شبکه را تحت تأثیر قرار دهد و این امر لزوم کنترل و نظارت دقیق را بر قسمت‌های مختلف شبکه روشن می‌سازد.

از طرف دیگر انرژی الکتریکی نیز مانند سایر انرژی‌های دیگر پیرو نظام اقتصادی عرضه و تقاضا می‌باشد و لذا بالا بردن سود و کاهش هزینه از اصلی‌ترین ارکان حفظ بقاء آن است. انرژی الکتریکی همواره از سه سطح تولید، انتقال و توزیع مورد بررسی قرار می‌گیرد. برای افزایش بهره‌ باید برق را با حداقل تلفات از نیروگاه‌ها به دست مصرف‌کننده رساند. که در این بین با خصوصی‌سازی و واگذاری مدیریت بخش‌های مختلف، هر کدام از سه بخش تولید، انتقال و توزیع باید حداقل تلفات را برای بالا بردن بهره اقتصادی خود ایجاد کنند. داده‌های آماری بیان‌گر این مطلب است که بخش عظیمی از تلفات انرژی الکتریکی در سطح توزیع صورت می‌گیرد، یعنی بخش کم‌تری از انرژی رسیده به سطح 20KV به مصرف‌کننده می‌رسد. این امر سبب شده تا بخش توزیع مورد توجه قرار گرفته و راه‌هایی برای بالا بردن کارایی آن ایجاد شود.

اتوماسیون یکی از راه‌هایی است که می‌تواند با نظارت و مانیتورینگ شبکه توزیع، امکان کنترل‌پذیری این شبکه را بیش‌تر کند.

طرح‌های اتوماسیون در سطوح تولید و انتقال از مدت‌ها پیش مورد توجه قرار گرفته و انجام شده‌اند. روند کلی اتوماسیون در سطح جهانی برای سیستم‌های توزیع از اواسط دهه‌ی 70 میلادی آغاز شد و تاکنون ادامه دارد.

پایان‌نامه‌ی حاضر با عنوان «اتوماسیون سیستم‌های توزیع» سعی دارد تا در سطحی مشخص به معرفی این سیستم و بررسی ویژگی‌های آن بپردازد. لازم به ذکر است که اتوماسیون زمینه‌ای گسترده داشته و پرداختن به همه جوانب آن در یک پایان‌نامه‌ی سطح کارشناسی ممکن نمی‌باشد. این پروژه شامل بیان کلیاتی در مورد اتوماسیون بوده و بیش‌تر جنبه تئوری دارد ولی در عین حال، هر کجا لازم بوده اشاره‌ای به پژوهش‌ها و پروژه‌های کاربردی و عملیاتی در این زمینه شده است.

بنابر توصیه استاد راهنما در برخی از بخش‌ها وارد جزئیات مطالب شده و بیش‌تر به آن‌ها پرداخته شده است، که از جمله آن می‌توان به بخش مخابرات اشاره کرد.

پروژه حاضر به دلیل گستردگی مطلب، شامل گرایش‌های مختلفی ازجمله گرایش‌های مخابرات، الکترونیک و کنترل می‌باشد. البته زمینه‌ی اصلی اتوماسیون توزیع، بنابر کاربرد آن مربوط به گرایش قدرت است لذا آشنایی و تسلط بر مفاهیم مختلف هر گرایش در کنار درک عمیق از سیستم‌های قدرت زمینه را برای درک مفاهیم آماده می‌سازد. در طی انجام این پروژه از مساعدت و هم‌کاری شرکت‌ها و ارگان‌های مختلف بهره‌مند بودیم که از تمامی آن‌ها خصوصاً بخش «مهندسی توزیع توانیر» و هم‌چنین «پژوهش‌‌کده کنترل و مدیریت شبکه پژوهشگاه نیرو» کمال تشکر را داریم.

فصل اول:

کلیات اتوماسیون

کلیاتی در مورد اتوماسیون

در ابتدا برای آشنایی با مفهوم اتوماسیون و وارد شدن به بحث اتوماسیون توزیع لازم است تا توضیحات و چشم‌اندازی کلی از اتوماسیون مطرح شود.

مفهوم اتوماسیون، مفهوم جدیدی نیست. بحث اتوماسیون در جنبه‌های مختلف زندگی بشر وارد شده و ریشه آن به ابتدای دوران انقلاب صنعتی بر می‌گردد. در واقع با اختراع ماشین بخار، ورود سیستم‌های اتوماتیک که بتوانند وظایف مختلفی را در سطوح گوناگون زندگی بر عهده گیرند، آغاز شد.

سیستم‌های مختلف ماشینی در زمینه‌های اداری و صنعتین نمونه هایی از اتوماتکی شدن محسوب می‌شوند، اما با گذشت زمان و افزایش و گستردگی این شبکه‌های مختلف ماشینی با سطوح تکنولوژیکی متفاوت سبب شد تا توجه بهره برداران، به سوی سیستم‌هایی برای کنترل و بهره‌برداری از این شبکه‌های ماشینی معطوف شود. این سیستم‌های کنترلی و نظارتی در واقع با هدف کاهش خطای انسانی و بالابردن سرعت کنترل سیستم‌های مختلف بوجود آمده و روز به روز پیشرفت کردند. با گذشت زمان و آشکارشدن قابلیت این سیستم‌های کنترلی در ارتباط بین سیستم‌های مجزا و بعضاً ناهمگون، عرصه برای ورود سیستم‌های اتوماسیون به سطوح غیرماشینی نیز می‌باشد. از آن جمله می‌توان به سیستم‌های اتوماسیون اداری و بایگانی اشاره کرد. در اینجا همین نکته مهم را یادآور می‌شویم که با ورود اتوماسیون خواه ناخواه سیستم‌های ماشینی نیز به عرصه وارد می‌شوند. یعنی برای اجرای اتوماسیون برای سیستم بایگانی و ارتباط آن با دیگر مراکز، ابتدا باید این مراکز به تجهیزات مربوطه مجهز شوند که به این مجهز کردن در اصطلاح. مکانیزاسیون گفته می‌شود. پس اجرای هر طرح اتوماسیون با شرط اجرای مکانیزاسیون میسر خواهد بود.

شبکه‌ های برق نیز با گستردگی و پیچیدگی خود شاید بیش از سایر سیستم‌ها به اجرای اتوماسیون محتاج باشند. در این راستا موضوع اتوماسیون در این زمینه مطرح شد. البته این نیاز در سطح توزیع، به خاطر پیچیدگی زیاد شبکه بیشتر احساس می‌شود.

هر طرح اتوماسیون بدون انجام مکانیزاسیون عملاً بازدهی نخواهد داشت. از همین رو مقدمه اجرای طرح، تغییر در وضعیت وسایل و تجهیزات موجود در سیستم توزیع خواهد بود. در این بخش به بررسی سطوح مختلف اتوماسیون توزیع می‌پردازیم.

انواع روشها و سیستم‌های اتوماسیون شبکه توزیع

در این قسمت به بررسی انواع طرح‌های اتوماسیون شبکه توزیع و قسمتهائی از شبکه توزیع که امکان اجرای اتوماسیون را دارند می‌پردازیم.

انواع سیستم‌های اتوماسیون شبکه توزیع (Distribution Monitoring)

سیستم مانیتورینگ توزیع اولین نسل از سیستم‌های اتوماسیون شبکه توزیع بوده و یک سیستم جمع‌آوری اطلاعات (Data Acquisition) و پردازش اطلاعات می‌باشد. با اجرای این سیستم، امکان نظارت بر سیستم توزیع و آگاهی از وضعیت تجهیزات شبکه نظیر کلیدها، سکسیونرها و.. نیز مقادیر کمیتهای مهم نظیر ولتاژ، جریان، ضریب قدرت و... در پستها و فیدرهای تحت نظارت ایجاد می‌شود.

سیستم جمع‌آوری اطلاعات و کنترل نظارتی توزیع (Distribution SCADA)

 در این سیستم، علاوه بر جمع‌آوری اطلاعات و نظارت بر کمیتهای مهم، امکان ارسال فرمان از طرف اپراتور سیستم به تجهیزاتی نظیر کلیدها، سکسیونرها، تپ ترانسها و ... وجود دارد.

این فرمانها برای تغییر توپولوژی شبکه به هنگام خطا، تعمیرات و... اعمال شده و باعث سهولت در بهره برداری و کاهش هزینه‌ها می‌شود. در عمل طرحهای انجام شده در سیستم توزیع در سطح جهان از این مرحله شروع می‌شوند و سیستم نظارت توزیع نسبت به این طرح توجیه اقتصادی کمتری دارد. مزایای اقتصادی سیستم‌های اتوماسیون توزیع در قسمتهای بعدی بررسی خواهد شد.

سیستم جمع‌آوری اطلاعات و کنترل خودکار توزیع (سیستم اتوماسیون توزیع)(Distribution Automation sysytem- DAS)

این سیستم نسل سوم از سیستم‌های اتوماسیون توزیع می‌باشد. این سیستم در واقع همان سیستم بند 2-1-2-3- می‌باشد که قابلیتهای جدیدی به آن اضافه شده است. ویژگی‌های این سیستم این امکان را می‌دهد که در مواردی نظیر وقوع خطا که نیاز به تصمیم‌گیریهای فوری و انجام یک سری از عملیات ضروری می‌باشد، خود سیستم با استفاده از قابلیتهای نرم‌افزاری و سخت‌افزاری، عملیات مورد نیاز را به منظور تسریع در کارها بدون دخالت اپراتور نیز بتوانند انجام دهد.

در حال حاضر سیستم‌های مدرن اتوماسیون توزیع موجود در سطح جهان عمدتاً از این نوع می‌باشند.

البته یادآور می‌شود که گاهی اوقات عبارات DAS و Distribution SCADA به عنوان معادل به کار می‌روند و مثلاً ممکنست سیستم SCADA اعمال خودکار را نیز انجام دهد.

به عنوان مثال تعریف IEEE از سیستم اتوماسیون توزیع عبارتست از: (سیستمی که شرکت توزیع برق را قادر به انجام نظارت، ایجاد هماهنگی در سیستم و بهره‌برداری از تجهیزات شبکه توزیع بصورت زمان حقیقی (Real- Time) و از راه دور می‌سازد). که این تعریف Distribution SCADA را هم‌میتواند شامل شود. در اکثر موارد موارد منظور از سیستم اتوماسیون توزیع همان سیستم DAS می‌باشد.

سیستم‌های اتوماسیون توزیع هوشمند

سیستم‌های اتوماسیون توزیع برای انجام وظائف خود نیاز به تصمیم گیری دارند و برای تسهیل در این امر از سیستم‌های هوشمند، نظیر سیستم‌های خبره، فازی و... استفاده می‌کنند. این مرحله از سیستم اتوماسیون توزیع در حال طی مراحل تکاملی است و در حال حاضر، جزء پیشرفته‌ترین نوع سیستم‌های اتوماسیون توزیع محسوب می‌شود. 

اجزاء سیستم اتوماسیون توزیع

بطور کلی سیستم اتوماسیون توزیع به سه جزء مشخص تقسیم می‌شود: 

اتوماسیون پست

اتوماسیون پست شامل کنترل نظارتی و بعضاً خودکار کلیدها (C.B)، سکسیونرها (DS) تپ چنجرهای زیر بار (OLTC)، رگولاتورها (AVR) و بانکهای خازنی پستها می‌شود. جمع آوری اطلاعات از راه دور برای استفاده اپراتور نیز جزء احتیاجات این بخش است. 

اتوماسیون فیدر

اتوماسیون فیدر شامل جمع‌آوری دیتا و کنترل نظارتی یا خودکار تجهیزات خط از قبیل کلیدها، ریکلوزرها، رگولاتورهای خطوط، خازنها، سکسیونرها و مجزا کننده‌ها (Sectionalizers) می‌باشد. نظارت از راه دور بر نمایشگرهای خطا  fault indicator) و تحلیل گرهای خطا (Fault Analyzer) نیز می‌تواند شامل این قسمت باشد. 

اتوماسیون ارائه خدمات به مصرف‌کنندگان 

اتوماسیون ارائه خدمات به مصرف‌کنندگان شامل قرائت کنتورها از راه دور، برنامه‌ ریزی و قرائت کنتورهای چند تعرفه (Time Of Use- TOU)، سرویس قطع و وصل مصرف‌کننده‌ها، کنترل بارهای مصرف‌کنندگان و ارسال سیگنالهای TOU می‌باشد. 

مسائل مطرح برای شرکتهای توزیع هنگام انتخاب سیستم اتوماسیون 

شبکه توزیع 

انتخاب وظایف موردنظر برای سیستم اتوماسیون شبکه توزیع

برای انتخاب وظایف موردنظر یک سیستم اتوماسیون توزیع (DAS) باید موارد زیر بررسی شود: 

- مشخصات شبکه 

- مشخصات بار

- سیاستهای قیمت گذاری (تعرفه)

- مسائل اجتماعی، اقتصادی و جمعیتی

وظائف مناسب سیستم DAS باید برای هر مورد خاص پس از بررسی موارد فوق انتخاب شود اما به طور معمول موارد زیر توسط شرکتهای توزیع مورد بررسی قرار می‌گیرند: 

وظائف مناسب در اتوماسیون پست 

- نظارت بر وضعیت تجهیزات پست 

- نظارت بر ولتاژها و جریانها

- کنترل نظارتی یا خودکار پست

- جمع آوری اطلاعات آماری در مورد پست

- مجزاسازی خطا، تشخیص اضافه بار و بازیابی سرویس

- کاهش تلفات ترانسفورماتورها

- تقسیم بار روی ترانسفورماتورها

- تقسیم بار روی فازهای مختلف

- کنترل جریان چرخشی ترانسها 

- کنترل ولتاژ باسها

وظائف مناسب در اتوماسیون فیدر 

- جداسازی خطا و بازیابی سرویس

- کلیدزنی از راه دور

- جمع‌آوری اطلاعات آماری در مورد فیدرها

- کنترل از راه دور رگولاتورها

وظائف مناسب در اتوماسیون مصرف‌کننده‌ها 

- قرائت از راه دور کنتورها، کنتورهای چند تعرفه (TOU) و کنتورهای پیک بار

- کشف دستکاری کنتور و انشعاب غیرمجاز

- نظارت بر کارکرد صحیح کنتور

- قطع و وصل مجدد برق از راه دور

- بررسی مشخصات و ویژگیهای بارها (Load survey) 

کنترل بار و مدیریت مصرف (Load Control and Demand side Management- DSM)  

- اعمال خاموشی در مواقع اضطراری (Load Shedding) 

- کنترل بارهای خاص مصرف‌کنندگان، نظیر سیستم‌های تهویه مطبوع، سرمایش و گرمایش و مصارف عمومی